Lorentzkraft und Elektromotor

Ein stromdurchflossener Draht im Magnetfeld bewegt sich wie von Geisterhand. Diese Kraft – die Lorentzkraft – treibt jeden Elektromotor an: im E-Auto, im Föhn, in der Bohrmaschine und im Ventilator.

Der Versuch mit der Leiterschaukel

Ein beweglich aufgehängter Draht hängt zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten. Schaltet man den Strom ein, schwingt er aus dem Magneten heraus oder hinein – je nach Stromrichtung. Polt man den Magneten um, kehrt sich die Bewegung ebenfalls um.

NSLorentzkraft FLeiter wird aus demFeld gedrücktStrom aus der Ebene heraus (•), Feld von N nach S
Ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld erfährt eine Kraft senkrecht zum Strom und senkrecht zum Feld.

Merke

Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft. Sie steht senkrecht auf der Stromrichtung und senkrecht auf den Feldlinien. Bewegte Ladungen – auch der Elektronenstrahl in einer Braunschen Röhre – werden genauso abgelenkt.

Die Drei-Finger-Regel

Die Richtung der Kraft bestimmt man mit drei Fingern, die jeweils im rechten Winkel zueinander stehen:

  • Daumen: Ursache – Bewegungsrichtung der Ladung bzw. Stromrichtung
  • Zeigefinger: Vermittlung – Richtung des Magnetfelds (von N nach S)
  • Mittelfinger: Wirkung – Richtung der Kraft

Welche Hand?

Mit der rechten Hand gilt die Regel für die technische Stromrichtung (von + nach −) bzw. für positive Ladungen. Mit der linken Hand gilt sie für die Elektronenbewegung (von − nach +). Beide führen zum selben Ergebnis – entscheide Dich für eine Variante und bleib dabei, wie es Dein Schulbuch macht.

Wie groß ist die Kraft?

Steht der Leiter senkrecht zum Feld, gilt:

F = B · I · l B: magnetische Flussdichte in Tesla, I: Stromstärke, l: Leiterlänge im Feld

Für eine einzelne Ladung q, die sich mit v senkrecht zum Feld bewegt, gilt F = q · v · B. Ein guter Dauermagnet hat in der Nähe seiner Pole etwa 0,1 bis 1 T.

Beispiel

Ein Draht führt 5 A, 4 cm davon liegen in einem Feld von 0,2 T: F = 0,2 T · 5 A · 0,04 m = 0,04 N – etwa die Gewichtskraft von 4 g. Für große Kräfte braucht man viele Windungen, also Spulen.

So funktioniert ein Elektromotor

  1. Eine drehbare Spule (der Rotor oder Anker) sitzt im Feld eines Magneten (dem Stator).
  2. Fließt Strom durch die Spule, wirken auf ihre beiden Seiten entgegengesetzte Lorentzkräfte – die Spule dreht sich.
  3. Nach einer halben Umdrehung würden die Kräfte die Spule zurückdrehen. Ein Kommutator (Stromwender aus zwei Halbringen und Bürsten) polt den Strom deshalb im richtigen Moment um.
  4. So dreht sich die Spule immer weiter. Mehr Windungen, stärkere Magnete und größerer Strom ergeben mehr Kraft.

Moderne Motoren in E-Autos und Ventilatoren arbeiten oft ohne Bürsten: Eine Elektronik schaltet die Spulen im Stator nacheinander ein, und ein Dauermagnet als Rotor läuft dem Feld hinterher.

Der Elektromotor ist die Umkehrung des Generators: Dort erzeugt eine Drehbewegung durch Induktion eine Spannung. Mehr dazu unter Kraftwerk und Generator.

Teste Dich selbst

1. Wann wirkt auf einen Draht im Magnetfeld eine Lorentzkraft?
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Richtig: Nur wenn Strom fließt. Die Kraft wirkt auf bewegte Ladungen – also nur, wenn Strom fließt (und der Draht nicht parallel zu den Feldlinien liegt).

2. Was passiert, wenn man die Stromrichtung umkehrt?
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Richtig: Die Kraft kehrt ihre Richtung um. Umkehren von Strom oder Feld kehrt die Kraftrichtung um. Kehrt man beides um, bleibt sie gleich.

3. Wozu dient der Kommutator im Gleichstrommotor?
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Richtig: Er polt den Strom in der Spule nach jeder halben Umdrehung um. Ohne Umpolung würde die Spule nach einer halben Umdrehung stehen bleiben.

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